Efficacité des traitements varroacides et phénomènes de résistances

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Avant-propos

Le présent manuscrit est le fruit de ma thèse, qui s’est déroulée au sein du Centre d’Études et de Recherche sur le Médicament de Normandie (CERMN). Cette unité de recherche interdisciplinaire axe ses travaux sur la conception et la synthèse d’agents d’intérêt thérapeutique pour les neurosciences et la cancérologie. Quatre plateformes, Chimie Organique et Médicinale, Chémoinformatique, Chimiothèque, Screening et Drugabilité permettent une approche raisonnée de la conception de médicaments, ou drug design. La plateforme Chimiothèque abrite à l’heure actuelle une collection de plus de 17000 composés originaux, issus des travaux du CERMN. Depuis bientôt six ans, le laboratoire met ce savoir-faire en application pour la santé de l’abeille domestique Apis mellifera.
Insecte cosmopolite dont la domestication remonte à 6 000 ans, l’abeille domestique est depuis longtemps reconnue comme un pollinisateur primordial. L’entomogamie, lorsque la pollinisation des plantes est assurée par l’intermédiaire des insectes, est le mode de fertilisation des plantes angiospermes le plus répandu. En menant sa tâche de récolte du nectar et du pollen, l’abeille butineuse permet le transport efficace du pollen vers le pistil des fleurs. Nombreux sont les arbres, arbustes et plantes basses, cultivés sur des dizaines de milliers d’hectares, qui bénéficient de l’intervention des abeilles sauvages ou domestiques. Depuis une vingtaine d’années cependant, le secteur de l’apiculture fait face à un affaiblissement général des colonies, conduisant à une forte augmentation des taux de mortalité d’abeilles à l’échelle mondiale. L’acarien Varroa destructor, ce « vampire venu d’Extrême-Orient » i, est actuellement considéré comme l’un des principaux facteurs impliqués dans la surmortalité des colonies. Les apiculteurs ont à leur disposition une batterie de traitements anti-varroas, mais ces médicaments vétérinaires ne sont dérivés que d’un nombre limité de molécules actives. De l’utilisation répétée des mêmes molécules découle le développement de résistances du varroa face aux traitements utilisés pour en réguler la population. Des moyens de lutte alternatifs existent mais les résultats obtenus sont souvent contradictoires et/ou difficilement applicables
i Vincent Tardieu, L’étrange silence des abeilles – Enquête sur un déclin inquiétant, Éditions Belin 2015
pour l’apiculteur. Le développement de nouvelles molécules constitue alors une alternative intéressante et rapide afin de répondre à l’urgence de la situation.
Le plan de développement durable de l’apiculture, initié en 2013 et reconduit jusqu’en 2017, préconise ainsi de « promouvoir et encourager la mise au point de nouveaux médicaments, particulièrement pour lutter contre le varroa »
Cette thèse a donc eu pour objectif de mettre en évidence de nouvelles molécules candidates afin de lutter contre le varroa. Les deux contraintes principales auxquelles les molécules doivent répondre sont : d’avoir une forte efficacité varroacide et d’être sans effet dommageable pour la santé de l’abeille. Dans ce cadre, une démarche de drug design, approche utilisée au CERMN pour la conception de médicaments, a été appliquée à la santé de l’abeille.
Les acaricides peuvent agir sur une variété de processus biologiques, dont les ligands peuvent être regroupés en trois catégories : les inhibiteurs de la chaîne respiratoire mitochondriale, les inhibiteurs de croissance qui affectent le développement des acariens visés, et les acaricides neurotoxiques (voir Figure 1).
Or si le CERMN axe ses travaux sur la conception et la synthèse d’agents d’intérêts thérapeutiques pour les neurosciences – notamment la maladie d’Alzheimer – et la cancérologie, les cibles visées par les travaux peuvent être « communes ».
En effet, chez l’Homme, on constate que les personnes atteintes de la maladie neurodégénérative d’Alzheimer présentent des carences en acétylcholine, et cette diminution est responsable de certains symptômes clés de la pathologie. Des inhibiteurs de l’AChE permettent de limiter ces symptômes en améliorant la transmission cholinergique. La synthèse de molécules ciblant l’AChE humaine fait donc partie des thématiques de recherche du CERMN.
Les protéines membranaires de la famille des récepteurs couplés aux protéines G (RCPGs) représentent l’une des cibles les plus importantes de la pharmacologie moderne, du fait de l’étendue des fonctions dans lesquelles elles interviennent. De nombreuses molécules synthétisées au laboratoire visent ainsi certains récepteurs de la famille des RCPGs, dont fait partie le récepteur à l’octopamine chez les insectes.
Dans l’objectif d’exploiter la chimiothèque du CERMN, ce travail de thèse s’est donc focalisé naturellement sur deux cibles du système nerveux : l’enzyme acétylcholinestérase (AChE) et un récepteur de la famille des RCPGs, le récepteur à l’octopamine, déjà ciblé par l’amitraze, substance active de deux médicaments vétérinaires déjà autorisés en France.
Le manuscrit est composé de cinq chapitres :
– Le chapitre 1 contextualise notre travail. Une introduction aux modèles biologiques Apis mellifera et Varroa destructor précède la revue des différentes conséquences du développement du parasite dans les colonies d’abeilles. Nous évoquerons également les différents moyens de lutte anti-varroas, et leurs limites, à disposition des apiculteurs. Le lecteur y trouvera également les informations recueillies lors d’une enquête menée auprès d’apiculteurs du Calvados sur les pratiques de traitement anti-varroas.
– Le chapitre 2 explicite la démarche avec laquelle nous avons abordé la recherche de nouveaux traitements anti-varroas. L’approche de drug design – ou de conception du médicament en français – est courante en santé humaine pour l’identification de nouvelles molécules actives. Notre objectif est de l’appliquer pour la recherche de nouveaux traitements anti-varroas, en l’adaptant aux contraintes propres aux cibles biologiques visées.
– Les chapitre 3 et 4 comportent les informations recueillies et obtenues sur les cibles visées par nos travaux (i.e. l’acétylcholinestérase et les récepteurs à l’octopamine). Concernant l’acétylcholinestérase, trois pistes ont été successivement explorées. La première exploite une approche de réorientation de composés déjà existants. La deuxième envisage l’exploitation des molécules synthétisées au laboratoire en tant qu’inhibiteurs de l’acétylcholinestérase humaine. Enfin la dernière piste élargit la recherche à l’intégralité des molécules présentes dans la chimiothèque du CERMN.
Concernant les récepteurs à l’octopamine, nos efforts se sont focalisés sur l’exploitation de la chimiothèque.
– Le chapitre 5 sert de conclusion générale aux travaux menés pendant ces trois années de thèse.

Table des matières

Remerciements
Table des matières
Table des abréviations
AVANT-PROPOS
PRESENTATION DES MODELES BIOLOGIQUES
1.1 Importance des abeilles
1.2 Taxonomie
1.2.1 Classification de l’abeille
1.2.2 Classification du varroa
1.3 Cycles de développement
1.3.1 Organisation de la colonie d’abeilles
1.3.2 Cycle biologique annuel
Développement annuel de la colonie d’abeilles
Développement de la population de varroas
1.3.3 Cycle de développement de l’abeille et du faux bourdon
Reproduction par essaimage
Reproduction sexuée
Développement du couvain
1.3.4 Cycle de développement du varroa
La phase de phorésie
Processus d’infestation du couvain
Ontogenèse
Reproduction dans le couvain
1.4 Conséquences de l’infestation par varroa
1.4.1 Expression de la varroose à l’échelle de la colonie
1.4.2 Conséquences du parasitisme à l’échelle individuelle
Réduction de l’espérance de vie
Altération des capacités cognitives
Effet immunopathogène de Varroa destructor
Un vecteur d’agents infectieux pour l’abeille
1.5 Moyens de lutte contre Varroa destructor..
1.5.1 Évaluer l’infestation par varroa
1.5.2 Lutte par l’emploi de traitements acaricides
Molécules de synthèses à usage varroacide
Molécules biologiques
1.5.3 Lutte biologique et biomécanique
La sélection de souche d’abeilles tolérantes au varroa
Piégeage des varroas dans le couvain
La lutte biologique
Extraits végétaux divers
Autres pistes de lutte
1.5.4 Traitements anti-varroas autorisés en France
1.5.5 Efficacité des traitements varroacides et phénomènes de résistances
Définition d’un traitement efficace
Suivi de l’efficacité en France
Développement et propagation des résistances
Mécanismes de résistance
1.6 Enquête sur les pratiques de traitements anti-varroas dans le Calvados
1.6.1 Présentation de l’Abeille Normande du Calvados
1.6.2 Résultats de l’enquête
1.7 Conclusion
LA DEMARCHE DE DRUG-DESIGN
2.1 Introduction
2.1.1 Mode d’action des ligands
2.1.2 Les étapes d’identification de molécules actives
2.2 Les méthodes de criblage virtuel.
2.2.1 Recherche par similarité de structure
Les descripteurs
Descripteurs constitutionnels (0D)
Descripteurs de sous-structure (1D)
Descripteurs obtenus à partir de la formule développée (2D)
Descripteurs obtenus à partir de la conformation 3D de la molécule
Les descripteurs conformationnels (4D)
Les empreintes moléculaires (1D/2D/3D)
Coefficient de similarité
2.2.2 Méthodes basées sur la structure du récepteur
Détermination expérimentale de la structure
Niveau de confiance des structures
Les modèles par homologie de séquence
Prédiction de l’orientation du ligand par docking moléculaire
Flexibilité
La simulation par dynamique moléculaire
Estimation de la force de liaison par scoring
2.2.3 La procédure de criblage GOLD
2.3 Tests in vitro
2.3.1 Test d’inhibition de l’acétylcholinestérase
2.3.2 Test de liaison aux récepteurs à l’octopamine
2.4 Tests in vivo sur abeilles et varroas
2.4.1 Récoltes de varroas dans le couvain
2.4.2 Récolte de varroas phorétiques
2.4.3 Maintien des varroas au laboratoire
2.4.4 Protocole du test en cagettes
L’ACETYLCHOLINESTERASE
3.1 Introduction
3.1.1 Rôle biologique
3.1.2 Polymorphisme structural
De la struct aux gènes
3.1.3 Structure tridimensionnelle générale
Le site actif
La gorge aromatique
Le site périphérique
3.1.4 Inhibition de l’acétylcholinestérase
3.2 Résultats
3.2.1 Réorientation d’acaricides
Test in vitro de pesticides de la famille des carbamates
Similarité de structure avec le pirimicarbe
Tests in vivo du pirimicarbe
Conséquences d’une exposition par voie orale à du pirimicarbe sur le comportement d’alimentation des abeilles
3.2.2 Étude à partir de composés inhibiteurs de l’AChE humaine
Le donécopride et ces dérivés
Résultats
Discussion et conclusion
3.2.3 Construction des modèles par homologie de séquence
3.2.4 Criblage de la chimiothèque dans le modèle de l’AChE du varroa
Paramétrage du modèle
Sélection des composés issus du criblage in silico
Résultats des tests in vitro
Détermination des IC50
Tests in vivo
3.3 Conclusion sur la cible acétylcholinestérase
LES RECEPTEURS A L’OCTOPAMINE
4.1 Introduction
4.1.1 Rôle biologique de l’octopamine
4.1.2 Caractéristiques structurales des RCPGs
4.1.3 Classification des récepteurs à l’octopamine
4.2 Résultats
4.2.1 Construction des modèles par homologie de séquence
4.2.2 Résultats des tests in vivo
Efficacité des dérivés de l’amitraze
Similarité de structure
4.3 Conclusion sur les récepteurs à l’octopamine
CONCLUSION GENERALE ET PERSPECTIVES
A. ANNEXES
A.1 Structures des molécules issues du criblage de la chimiothèque du CERMN
A.2 Structures des molécules de la famille du composé SR2091
A.3 Alignements des trois séquences issues du génome brut du varroa – pour la recherche
récepteurs à l’octopamine – avec la séquence du récepteur β2-adrénergique de l’humain
A.4 Structures des molécules testées in vivo pour leur similarité de structures avec le DMPF
l’octopamine
A.5 Questionnaire de l’enquête sur les pratiques de traitements anti-varroas dans le Calvados
Bibliographie